回到那個化學讓生活更美好的年代，那時的承諾不是一個苦澀的諷刺，尼龍長襪取代了絲綢，冰箱取代了冰櫃，美國人越來越依賴人造材料。今天，我們觸控的幾乎所有東西——服裝、傢俱、地毯、櫥櫃、燈泡、紙張、牙膏、嬰兒牙膠、iPhone，等等——都是合成的。工業化的有害副作用——霧霾、超級基金場地、汞汙染的魚等等——通常似乎是必要的代價。
但在 20 世紀 90 年代初，一小群科學家開始以不同的方式思考。他們問道，為什麼我們在如此多的製造過程中依賴有害物質？畢竟，化學反應在自然界中不斷發生，在我們自己的身體內就發生了數千次，沒有任何有害的副產品。也許，這些科學家得出結論，問題在於化學家沒有受過訓練去思考他們發明的產品的後果。也許化學之所以有毒，僅僅是因為沒有人嘗試讓它不具有毒性。他們將這種新的理念稱為“綠色化學”。
綠色化學家使用傳統化學的所有工具和訓練，但他們不是最終產生必須事後處理和控制的毒素，而是旨在創造完全避免危害問題的工業流程。 其口號是“本質安全”。
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沒有汙染的進步可能聽起來完全不現實，但企業正在將綠色化學付諸實踐。購買、儲存和處置有害化學品成本很高，因此使用更安全的替代品是有道理的。大型公司——孟山都、陶氏、默克、輝瑞、杜邦——以及一些初創公司已經在應用綠色化學技術。已經有數百項創新，從更安全的乳膠漆、家用清潔產品和保鮮膜，到用玉米澱粉製成的紡織品，以及透過破壞有害昆蟲的生命週期來選擇性起作用的殺蟲劑。調查人員還開發了更清潔的咖啡脫咖啡因方法、乾洗衣服、製造聚苯乙烯泡沫雞蛋盒以及生產諸如 Advil、Zoloft 和 Lipitor 等藥物的方法。
在過去的 15 年中，綠色化學的發明使有害化學品的使用量減少了 5 億多公斤。這聽起來很棒，但當您考慮到美國每天生產或進口約 335 億公斤化學品時，就顯得微不足道了。綠色化學的史冊中充滿了瘋狂、引人入勝的故事，比如一個將緬因州每年收穫的賣不出去的土豆變成可生物降解塑膠的計劃。儘管如此，在該短語被創造出來十年後，綠色化學專利在化學密集型行業的專利中所佔比例不到 1%。
綠色化學要超越眾所周知的滄海一粟，擺脫充滿有毒汙泥的局面，需要付出什麼代價？一些專家認為，答案是政府幹預——不僅是禁止有害化學物質的法律，還包括要求化學品製造商公開安全資料並讓市場發揮其餘作用的法律。“目前，製造椅子、汽車或口紅的公司不知道他們納入產品中的哪些化學品是安全的，”加州大學伯克利分校的環境健康科學家邁克爾·威爾遜說。“一旦這些資訊公開，就會出現對毒性較小成分的需求。”
這個問題——是否需要監管——分裂了綠色化學倡導者群體。一些人反對強制推行綠色化學：他們認為，其原則如此明智且具有成本效益，以至於工業界會自願實施它們。另一些人，例如威爾遜，則不同意。他斷言，關鍵是“美國根本的化學品政策改革”。
現在是關鍵時刻：經過數十年的不作為，美國政府終於開始更積極地審查常見化學品的健康影響。上個月在美國參議院公佈的雄心勃勃的《安全化學品法案》將要求所有工業化學品都必須證明是安全的，這將為開發危害較小的替代品創造強大的動力。總統癌症小組本月早些時候釋出了一份具有里程碑意義的報告，譴責了諸如食品和家用產品中的雙酚 A 等致癌化學物質造成的“嚴重危害”。
利害攸關，比大多數人意識到的要高。製造我們世界中流通的 80,000 種化學品的公司很少被要求進行安全測試，而政府機構相對無能為力。“這非常令人震驚，因為大多數人認為有人在檢查市場上銷售的東西。我洗髮水裡的成分？我孩子玩具裡的成分？沒有人負責？這就是答案：總的來說，沒有人負責，”位於華盛頓特區的國際環境法中心 (CIEL) 的高階政策顧問達里爾·迪茨說。
“如果我們繼續作為一個以合成化學品為基礎的工業社會，我們就必須找到解決這些問題的方法。這絕對沒有疑問，”位於賓夕法尼亞州費城的化學遺產基金會環境政策專家喬迪·羅伯茨說。“我認為這就是一些人感到沮喪的地方，因為它需要更快地發生。”
綠色化學的開端
也許沒有人比約翰·華納在綠色化學上投入更多。他和綠色化學的聯合創始人，現在是環保署研究與開發辦公室助理署長的保羅·阿納斯塔斯一起，幫助建立了一個聯邦獎勵計劃，將該領域帶入主流。他和阿納斯塔斯實際上寫了這本書：《綠色化學：理論與實踐》，華納稱之為“分子層面的操作指南”。在書中，他們為化學家建立了 12 項指導原則，如透過將盡可能多的使用材料納入最終產品來防止浪費，以及選擇最簡單的反應。
十二年前，47 歲的華納放棄了在寶麗來的高薪工作，創立了美國第一個綠色化學博士課程。2007 年，他厭倦了講授綠色化學是未來的浪潮，他決定證明這一點，在馬薩諸塞州威爾明頓創立了一家初創公司，華納巴布科克綠色化學研究所。他的公司擁有 20 多名才華橫溢的年輕科學家，是一家創造力工廠。他們正在研究各種專案：一種能量消耗較低的太陽能電池板製造方法、一種針對發展中國家的廉價水淨化裝置，以及可以替代活體動物進行毒性測試的模仿眼睛和肝臟組織的材料。
一些工作是基礎研究。華納的核心技術之一基於胸腺嘧啶，它是 DNA 的四個鹼基之一。當暴露在光線下時，胸腺嘧啶分子會相互連線；由於這種反應可能有害（想想：皮膚癌），許多生物體擁有負責破壞這些鍵的酶。如果將胸腺嘧啶放入一種物質中並將其暴露在光線下，它會變硬；應用酶，它會再次變軟。無毒性，具有許多潛在應用。華納實驗室的一位科學家正在利用這項技術在不使用腐蝕性化學物質的情況下燙髮——只需將捲曲的髮絲塗上胸腺嘧啶基聚合物，然後照射光線即可將其固定到位。該技術還可以充當印刷電路板製造過程中的掩蔽技術。或者想象一下真正可回收的塑膠，可以在使用者將其丟棄後返回到其原材料。
這種實用的願景是華納成長的產物。他在馬薩諸塞州昆西長大，這是一個波士頓南部一個艱難的工人階級城鎮，他沒有擺脫當地的方言。“我是一名化學家。我製造分子，”他說，就好像他也可以很容易地建造房屋或發動機一樣。他穿著格子襯衫和磨損的運動鞋，看起來更像那種汽車發出奇怪的嘎嘎聲時你會把車送到他那裡的人。華納的叔叔是西西里移民，從事建築和石材切割工作，他認為他的藍領出身與他目前經營的 40,000 平方英尺的高科技實驗室之間沒有脫節。“我的叔叔們手指少了一半。我很尊重這一點——用你的雙手做事，創造東西，”他說。“我覺得我正在用雙手工作，只是方式不同。”
對化學家來說，原子就像許多樂高積木，可以隨意排列和重組。這裡新增一個羥基，那裡新增一個磷酸鹽，並與其他各種化學物質反應，以獲得所需的顏色、硬度、透明度或其他特性。“如果我們能繪製一個分子，如果它不違反某些基本定律，我們可能就能製造它，”華納說。
但是，化學是在人們沒有考慮環境影響的時候發明的。原材料通常來源於化石燃料。將它們轉化為所需的產品可能是一個多步驟的過程，其中涉及有害的試劑（與目標材料反應的化學物質）和溶劑（為反應發生提供環境的液體或氣體）。反應通常會產生更多不需要的化學物質而不是需要的化學物質。例如，在製造藥物時，每生產一磅藥物，最終都會產生 25 到 100 磅的廢物，這並不罕見。
綠色化學從植物或微生物等可再生資源入手，回收其試劑，使用危害較小的溶劑，並簡化複雜的過程。例如，2006 年，輝瑞公司改變了其神經疼痛藥物 Lyrica 的製造方式，用兩種植物基酶代替了常用的金屬催化劑雷尼鎳。該過程現在在室溫下和水中進行，只需 4 個步驟而不是 10 個步驟，並且已將廢物和能源使用量削減了 80% 以上。
為什麼這麼慢？
綠色化學是優雅的。它是明智的。它有可能改善公共衛生並促進經濟發展。但如果每個人都喜歡綠色化學——科學家、環保主義者、政治家、企業領導人——那麼為什麼它沒有取得更大的成功？經過 15 年的創新，化學工業仍然像以往一樣有毒。那些在奈米技術上投入大量資金的政客在綠色化學上投入的資金卻少得可憐。培養化學家的大學仍然不要求學生修讀一門毒理學課程。綠色化學遠未成為家喻戶曉的短語。
許多觀察家認為答案很明確：需要更多的監管。“思考這個問題的一個方法是問自己：‘政府的目的是什麼？為什麼不是所有事情都由自願買賣雙方之間的交換完成？’答案當然是，很多需要做的重要事情不會自願完成，”紐約州特洛伊市倫斯勒理工學院的政治科學家愛德華·伍德豪斯說。“這既需要胡蘿蔔，也需要大棒。”威爾遜和他在伯克利的同事們正是按照這個原則行事的；他們幫助制定了美國第一部綠色化學法律，該法律於 2008 年在加利福尼亞州頒佈。這些法律要求該州識別、優先處理並採取行動應對受關注的化學品，鼓勵更安全的替代品，並向該州的商業機構和公眾提供危害資訊。
華納完全贊成透明化，但他本人也是一位化學家，他知道他的同事們是怎麼想的，他擔心如果綠色化學成為強制性的，工業化學家會誤解它，認為它是一個政策專家的提議，而事實上它是一門建立在傳統化學核心原則之上的堅實科學。華納贊成“製造更好的捕鼠器”的理念：透過製造不僅更安全而且有效且經濟的替代品來進行綠色化學，化學公司會積極採用它們。
但其他人堅持認為，在像陶氏和埃克森美孚這樣的重量級企業被迫承認其化學品的危害之前，開發清潔替代品的小公司將無法競爭。“一些學者說，‘如果我們有足夠的學生和研究經費，那麼美好的新物質就會從我們的實驗室湧出，全世界都會蜂擁而至’，”CIEL 的迪茨說。“但是，如果沒人能區分綠色分子和有毒分子，那麼更安全的產品幾乎不可能打入市場。”
伍德豪斯說，沒有衝突和憤怒，就不會發生如此巨大的轉變。普通人需要了解並關心化學危害，才能向商業和政治領導人施壓，要求做出改變。“大多數人不知道他們家裡的許多東西對他們來說是危險的，”他說。“我認為，對於良性化學轉型的迫切需求還沒有得到有效的宣傳。”
此外，即使科學家們提出了無毒、節省成本的技術，它們也並不總是能見到光明。重新設計工廠的前期費用往往會掩蓋潛在的長期節省。“你的工廠被設定為不停運轉。任何停機時間，即使以後會為你節省一百萬美元，現在也會讓你損失錢，”化學遺產組織的羅伯茨說。
華納擔心的是，當政府走在科學前面時，這種努力往往會適得其反。“該禁令會說，‘使用現有最佳技術’。如果現有最佳技術很糟糕，那麼該禁令就成了使用該技術的許可證，”他說。“你不能立法發明，只能鼓勵它。”
然而，另一方面是，有時當政府走在科學前面時，科學會急於趕上。這種情況發生在 20 世紀 90 年代中期，當時化學公司羅門哈斯得知一項關於停用錫基船用油漆的禁令正在制定中。錫基油漆多年來一直用於船體，因為它們可以阻止藤壺、藻類、細菌和其他不需要的搭便車生物的生長。但是錫是有毒的，它正在魚類、海鳥和其他動物體內積累。日本在 1992 年禁止了錫基油漆，其他國家也準備效仿。羅門哈斯從未生產過船用油漆的成分，如果沒有即將到來的禁令，它不會嘗試，因為錫基油漆製造商主導了市場。但是，羅門哈斯已經有一種具有防黴作用的化學物質，可以用作木材防腐劑。透過調整該活性成分，公司科學家開發出了 Sea-Nine，一種透過與海洋生物自身的化學物質發生反應來殺死它們的化學物質，在此過程中會分解成無害的成分。
無論如何，改變世界觀需要時間。全球變暖花了二十年或更長時間才獲得任何認真的關注。現在，它被視為發展經濟全新領域的機會：替代能源。隨著對更清潔產品的需求推動創新，綠色化學也可能發生同樣的情況。
每個人都同意的是，最終，綠色化學原則必須如此融入主流化學，以至於這個術語失去其意義。具有諷刺意味的是，當綠色化學消失時，我們就會知道它已經成功了。“當從幼兒園學生開始的所有人都理解它時，我們就不再需要綠色化學領域了，”華納說。“這就是我的目標，讓它成為每個人看待科學的方式。”
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綠色化學入門
為了解釋綠色化學的目標，約翰·華納使用了工具箱的比喻。化學工業“工具箱”的抽屜裡裝的不是扳手、螺母和螺栓，而是常用的工藝，例如製造碳化合物或氧化還原反應的方法。這些工藝中的大多數都涉及有害化學物質。綠色化學家的目標是建立一個裝滿危害性較小的替代品的新工具箱，以便將來化學家著手設計分子時，他們能夠找到良性的工具來完成這項工作。
以下是一些有望進入綠色化學工具箱的有前景的新技術。
TAMLs：這麼說可能不太好聽，TAML 是四氨基大環配體的縮寫，但這些看似無害的化學物質可以分解各種頑固的汙染物，包括農藥、染料和工業徑流。TAML 由匹茲堡卡內基梅隆大學的化學家 Terrence Collins 開發，它模仿我們體內為抵抗有毒侵害而進化出的酶。Collins 和他的團隊花了二十年的時間開發出這些較小、易於構建的生物酶版本。當與過氧化氫結合時，TAML 透過破壞其化學鍵來中和許多汙染物。
非共價衍生化：非共價衍生化是華納長期以來的熱情所在（他的車牌上寫著“NCD”），它是一種輕觸式化學。共價鍵是連線原子並將分子結合在一起的強連線。通常，當化學家對他們正在創造的分子中的某些方面不滿意時，他們會透過破壞或新增共價鍵來改變其結構。這種變化可能涉及多個步驟和有害成分。華納的突破在於提出有時沒有必要創造一個新分子。只需將現有分子與另一種與之相互作用的物質結合，它們之間的瞬時力就可以產生所需的變化。“它們無需能量就能相互找到並形成，”他說。“為什麼一堆脂質會摺疊起來形成細胞膜？為什麼 DNA 會形成雙螺旋結構？它總是這些弱的分子結構。”
液態二氧化碳：我們大多數人都知道二氧化碳是一種氣體（我們撥出它）或固體（想想：造霧機中的乾冰）。但是當你將二氧化碳置於壓力下時，它會變成液體。液態二氧化碳是通常用於脫咖啡因咖啡的有害溶劑的良性替代品。只需將其與生咖啡豆混合，然後釋放壓力即可。二氧化碳會蒸發，留下一堆白色粉末——咖啡因。對髒衣服做同樣的事情，你就可以提取油脂和汙垢，而無需使用臭名昭著的乾洗化學物質全氯乙烯。